导读：近来，第三代半导体异常火热，在多个领域崭露头角，资本市场反应热烈，但第三代并不是对第一代和第二代半导体的技术替代，而是处于并存状态，有各自的应用场景和市场。本文将围绕第三代半导体材料的优异特性、市场前景、行业现状及技术难题，浅析其备受追捧的原因，共探投资机遇。
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我们的思考
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第三代半导体引发产业革命？
半导体指常温下导电与性能介于导体与绝缘体之间的材料。从应用普及的进程来划分，可分为第一代半导体材料、第二代半导体材料、第三代半导体材料等。
第一代半导体材料包括Si（硅）、Ge（锗）等，Si以优异性能、低廉价格及成熟的工艺，在大规模集成电路领域地位不可撼动，也是当下大众讨论最普遍的半导体概念，它广泛应用在手机、电脑、电视等领域，比如英特尔的CPU、华为的麒麟芯片都采用Si基的半导体技术。先进的Si基制程代表着半导体行业的技术至高点；
第二代半导体材料包括GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等，主要是用于功率放大领域，在卫星通讯、移动通讯、导航等领域广泛使用；
第三代导体材料包括SiC、GaN等，主要面向三个市场：光电子、电力电子和微波射频，更通俗一点说，像手机快充、新能源车、轨道交通和国家电网等是民用领域的几大市场。其中GaN主要运用于光电器件和微波射频器件，SiC主要运用于功率器件；
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实际上第三代半导体的说法是不严谨的，国际上通用说法叫做宽禁带半导体，指的是禁带宽度大于2.2eV的半导体材料。在工信部等相关文件中和十四五规划里都称为“宽禁带”半导体，而非第三代半导体，国内提出‘第三代半导体’这个概念，主要是跨领域交流和工作汇报，因为行业术语有时让人理解困难。但这个词很容易也让人们产生一种错觉：第三代比第一代强，但从技术和产业角度看各种半导体材料是形成互补关系，Si 适用于数字逻辑芯片、存储芯片等，GaN适用于高频领域，SiC 适用于高压领域，并没有明确的谁强谁弱的概念。
对于第三代半导体，在市场上大家讨论更多的是在新能源所用功率半导体领域，但必须要明确一个概念，SiC和GaN并不是全面取代和碾压Si基功率半导体。
以功率半导体使用场景来看，高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用Si 的IGBT是最好，如果稍稍高频但是电压不是很高，功率不是很高的情况下，用Si 的MOSFET 是最好。如果既是高频又是高压的情况下，用SiC 的 MOSFET 最好。电压不需要很大，功率不需要很大，但是频率需要很高，这种情况下用GaN效果最佳。从Yole的数据来看，预计SiC在2023年预计能占市场3.75%，GaN占市场1%左右，市场主流依然是Si基半导体。
总结：第一代、第三代是不同场景的各自延展，并不相互取代和升级的关系。
第三代半导体产业链相比Si基更能自主可控，主要原因在于不需要那么高精尖的制程。与目前主流技术往4nm发展的Si基半导体技术相比，第三代半导体的应用领域多是在功率半导体，这一块对工艺没有太多要求，100纳米以上就可以满足实际生产。
所以，对于投入并不像Si基半导体动辄就是几百亿的资金，几个亿到几十个亿就可以形成生产规模，以GaN功率芯片生产线为例，年产30万5寸量产线整体投入在8000万即可完成初步建设。此外，现在SiC、GaN半导体还停留在分立器件、独立器件层面，没有大规模集成电路的设计需求，并不需要像数字芯片那样依赖大量先进的EDA工具，以及庞大的技术研发团队，普通的EDA工具和精炼的团队就可以保证公司能进入研发正规。
虽然在第三代半导体领域，整体技术与美国没有明显代差，但是从实际情况来讲的话，国内公司仍然受制于更底层的基础技术的薄弱。
第三代半导体产业链包括衬底=>外延=>设计=>制造=>封装
其中，衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层，这些外延层是制造半导体芯片的重要原料，影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计，其中器件设计包括半导体器件的结构、材料，与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割后形成一颗颗芯片。
以SiC(碳化硅)产业的各个环节作为分析，整体来看国内在设计端差距相对较小，制造端存在较为明显的差距：
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衬底：国内技术指标和国际厂商有明显差距，产品的一致性问题是难以攻克的短板，国产衬底目前仍难以进入主流供应链，主要的原因还是在技术差距，这直接导致衬底综合性能较差，无法用于要求更高的产线中，后面会详细展开；
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外延：技术壁垒较低，技术水平与国外整体差距不大，是整个产业链中附加值和技术门槛较低的环节。但外延环节依赖成熟的设备，国内无法国产化；
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设计：SiC器件设计相对简单，与国外差距相对较小，这本身也和功率芯片的特点有关。SiC SBD器件设计在专利方面没有壁垒，国内领先企业如派恩杰已开始Gen 6 SiC SBD的研发，与国外差距相对较小。SiC MOSFET器件方面，国内多家公司宣称已完成研发，但仍未进入量产状态。同时，最新的Gen 4 Trench SiC MOSFET专利被国外公司掌握，未来可能存在专利方面的问题；
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封装：SiC器件制造与国外存在明显的差距，相对于国外6寸产线已经成熟量产，并且逐渐迈入8寸产线的现状下，国内目前SiC SBD器件主要以4寸制造产线大多处于刚通线的状态，还需经历产能爬坡等阶段，离大规模稳定量产还有一定距离。国内SiC MOSFET器件制造平台仍在搭建中，部分公司的产线仍处于计划阶段，离正式量产还有很长一段距离；
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我们可以清楚看到，在整个SiC产业环节，制造国内是相对落后的，最核心的问题依然是基础技术的落后，比如高纯的碳粉和硅粉，中国在提纯技术上有差距；而在SiC设备里，仍较多依赖进口，特别是外延炉、离子注入机、光刻机等造价昂贵且有门槛的设备无法国产化。
过高的碳化硅成本限制了其应用领域，从市场公开数据可以看到，650V SiC MOSFET的价格基本是Si IGBT的10倍以上。成本过高的一大原因就是SiC衬底制造困难，特别是衬底和外延生产效率低。数据显示，衬底成本大约占晶片加工总成本的50%，外延片占25%，器件晶圆制造环节20%，封装测试环节5%。
SiC衬底成本高主要在于其加工难度，生长效率低。与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法。PVT的技术本有几个巨大的缺点：
1、 生长速度慢。PVT 法生长SiC的速度缓慢，6寸的碳锭需要7~10天才能生长 2cm 左右，这就意味着衬底生产效率低下，产能受限。而硅棒拉晶2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒；
2、 生长条件苛刻，PVT法需要在高温下进行。一般而言，SiC气相生长温度在 2300℃以上，压力 350MPa，而硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的晶体不合规，无法正常使用；
3、 后加工难度大，良率低。PVT法生长的SiC单晶一般是短圆柱状，需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺，才能成为器件制造前的衬底材料。由于SiC是世界上硬度排名第三的物质，不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性，这导致普遍存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。
目前还有高温化学气象沉积法（HT-CVD）和溶液转移法（LPE）等衬底制造技术，但均不成熟，难以实现量产。因此整体来看在衬底的生产环节已经存在大量的技术突破的机会，只要能实现生产效率的大幅提升，可以实现在产业上的弯道超车。
另外一个成本高的原因是外延的量产技术相对不成熟。SiC器件制造必须要经过外延步骤，外延质量对器件性能影响很大。SiC基器件与传统的硅器件不同，SiC衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高压高频器件时，不能直接在SiC衬底上制作器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件，目前效率也比较低。另外SiC的气相同质外延一般要在 1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过 1800℃，因而生长速率较低。
而且随着耐压性能的不断提高，所要求的外延层的厚度就越厚。一般电压在600V左右时，所需要的外延层厚度约在6微米左右；电压在1200-1700V之间时，所需要的外延层厚度就达到10-15微米。如果电压达到一万伏以上时，可能就需要100微米以上的外延层厚度。而随着外延层厚度的不断增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。
SiC外延的主流技术包括斜切台阶流技术和TCS技术等等。目前，斜切台阶流技术已经比较成熟。但是该技术也有两个缺陷：一是该技术无法阻断基平面位错；二是该技术会对衬底材料造成浪费。
TCS做为新一代技术，可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上，它的引入不光是生产速率得到提升，同时也是质量得到大大的控制，尤其是对于硅滴的控制，所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。
目前，SiC外延设备主要由意大利的LPE公司、德国AIXTRON公司以及日本Nuflare公司所垄断。
在实际场景中，在中、低压应用领域，SiC外延的技术相对是比较成熟的，外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。但在高压领域，仍需要攻克的难关还很多，对于2万伏的器件上的200μm的一个SiC外延材料，它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多，尤其是掺杂浓度的均匀性。而高压本身就是SiC的主要领域，外延技术的不成熟限制了其应用场景。
总结：第三代半导体在生产环节依然有大量技术难题并没有解决，而且中国在很多基础技术比较薄弱，因此技术创新公司有着很大的成长空间。
由于各种技术上的不成熟，整个第三代半导体产业链的建设不能一蹴而就，但不可否认的是整个产业确实处在快速发展的前期，在碳中和概念下，新能源车、轨道交通、能源互联网，这些领域都是第三代半导体可以发挥作用的大领域，确实存在巨大的市场机会。
发展第三代半导体需要的投入与Si基的半导体相比，投资规模要小很多。Si基半导体的投资巨大，光是建制造厂都是从几百亿起，而第三代半导体只要10亿元就能建起一个一般规模的制造厂。许多中小型城市政府急于提升城市形象，增加半导体产业相关布局，目前第三代产业链上游的材料及生产环节不再集中于一二线城市，而是全国遍地开花。
根据《火热的投资环境以及政策保障下，我国SIC产业已完成基本布局》一文的整理数据显示，2018-2020年，我国仅SiC项目政府投资达到32个，计划投资金额超过700亿。
2021年市场实际依然火爆，8月24日，山西宣布与第三代半导体SiC实验室项目负责人修雷明达成了初步合作协议。据悉，这一项目投资总金额超过175亿人民币。
近两年的投资热潮，也使得该领域的企业普遍估值偏高，产生了泡沫，一些项目在未来3-5年很可能难以落地，行业将迎来一次洗牌。
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有产能过剩的可能性。据Yole数据显示，到2020年底，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体的全球市场将增长到 8.54 亿美元，其中，碳化硅（SiC ）市场规模约为 7.03 亿美元，氮化镓（GaN）市场规模约为1.5亿美元。根据Yole数据显示，Cree、英飞凌、罗姆约占据了90%的SiC市场份额，Cree是SiC衬底主要供应商，罗姆、意法半导体等则拥有自己的SiC生产线等，其中Cree占据了一半以上的SiC晶片市场，这种垄断优势使其在产业上游的话语权非常之大。虽然整体来看整个市场增速很快，但中国企业短期内能渗透进的市场有限，存在产能的浪费；
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工艺建完即落后。而且以SiC为例，国内目前主要是4寸和6寸产线，其中6寸产线量产还有距离，而国际主流已经往8寸产线发展；
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技术能力不够，难以实现量产。半导体生产本身属于技术密集型，而第三代半导体依然有大量技术难题。对于地方而言，半导体投资需要资金、人才和管理，政府可能能出的起钱，但支撑工艺制造和管理的专用人才和团队从哪来，没有好的人才是难以发展起来产业的。
整体来看第三代半导体在短期内还是一个小众市场，当今半导体市场仍然是以硅材料为主。从技术角度看，第三代半导体最大的机会在于中美之间没有明显的代差，确实存在弯道超车的机会，但整个行业最大的挑战还是来自于更底层的技术进步和产业基础，仍然是以技术驱动的行业，海量的资本布局未必对产业有好处。因此，在火爆的市场面前，如何保持冷静，是对投资机构的考验，相对于进行产能的投资，对先进技术进行布局可能会是更好的选择！
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